JPS6097894A - Pen ball made of zirconia - Google Patents
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- B43K1/08—Nibs; Writing-points with ball points; Balls or ball beds
- B43K1/082—Balls
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/48—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
- C04B35/486—Fine ceramics
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
産業上の利用分野
本発明は、液体移送用素子に関し、詳述すれば、9イン
ク収容部から筆記表面にインクを移送するためのボール
、すなわち、周知のボールペンにおけるように、多軸回
転ないしは自由回転し得るようにソケット・内に取付(
プられその後部がインク収容部と連結されているような
ボールに関する。
従来の技術とその問題点
坦在製造されているボールペンには2つの基本的な種類
がある。第1の種類は油性の高粘性インクを使用1−る
ものであり、第2の種類は水性で低粘性のインクを使用
するものである。後者の種類は、D −’) ン’j
ホールヘン(rolling ball pen)ど称
される。Iそれらのペンに規在使用されているボールは
、一般に、ステンレス鋼または接合炭化タングステンを
用いている。
ボールを用いるペンは、構成や操作が簡単ではあるが、
幾つかの点において機能的な不調をもたら寸ことが多い
。例えば、インクがボールを湿ら4−
ゼなかったり、筆記表面に対づ−るボールの摩擦が小さ
すぎてボールが回転しなかったり、ボールの表面が粗づ
ぎてソケッ1〜の摩耗の原因どなったり、ボールの耐摩
耗性が低すぎたり、ボールを構成する物質とインク組成
物との間の化学反応にJζっでボールのM食および/ま
たはボールソケットの腐食が生じたりすることがある。
これらの不調のうちで、克服するのが最も困難であるの
は腐食である。
腐食は均一に生じることがあり、このどきには、ボール
(通常、金属である)は、その全表面にわたり一定の速
度で腐食する。また、腐食は表面の特定領域にのみ生じ
ることもあるが、この場合にINDUSTRIAL FIELD OF APPLICATION The present invention relates to an element for liquid transfer, in particular a ball for transferring ink from nine ink reservoirs to a writing surface, i.e. multi-axis rotation or free movement, as in the well-known ballpoint pen. Mounted inside the socket so that it can rotate (
The present invention relates to a ball which is pulled up and whose rear part is connected to an ink storage part. Prior Art and Its Problems There are two basic types of ballpoint pens that are manufactured. The first type uses oil-based high viscosity ink, and the second type uses water-based low viscosity ink. The latter type is D −') n'j
It is called a rolling ball pen. The balls commonly used in these pens are generally made of stainless steel or bonded tungsten carbide. Pens that use a ball are easy to configure and operate, but
It often leads to functional impairment in several respects. For example, the ink may not wet the ball, the friction of the ball against the writing surface may be too low to cause the ball to rotate, or the surface of the ball may be too rough, causing wear on the socket. The wear resistance of the ball may be too low, or the chemical reaction between the material that makes up the ball and the ink composition may cause corrosion of the ball and/or ball socket. . Of these disorders, corrosion is the most difficult to overcome. Corrosion may occur uniformly, where the ball (usually metal) corrodes at a constant rate over its entire surface. Corrosion may also occur only in certain areas of the surface;
【;L1該領域上で比較的
迅速に腐食が生じることがある。これらの2種類の腐食
のうち、局部的な腐食が最も面倒である。
局部腐食については、一般に5つの形式が認められてお
り、これらは、例えば、冷間加工、熱処理またはペン使
用中の外部からの応力に由来する応カー歪によるもので
ある。腐食の形式には、綿ぼこりや粉塵の存在によるも
のと考えられる点食;金属−金屈間接触によるものと考
えられる割れ目状腐食;電解質に異類の金属が接触する
ことによるものと考えられる電食:おにび粒間腐食があ
る。
この腐食は、焼なましをしていないオーステナーイト系
ステンレス鋼製ボールに起こる。該ステンレス鋼中のク
ロムは、粒界に炭化クロムとして析出することがある。
粒界のカーパイ1〜は隣接する領域からクロムを除去す
るように作用して、それらの領域が特定の環境界におい
て腐食を受I−1易くする。
更に、腐食は、ボール中の不純物に起因したり該不純物
によって影響され、また、環境温度の上背によって一般
に腐食活性が増大する。ボールに対する通気の程亀は腐
食速度に影響を与えるのが通常であり、また、腐食剤(
インク、ソケット等)に対するボール表面の速度は腐食
速度に影響することが多い。
ボールペンの液イホ移送用素子としての従来のボール素
子の挙動を知ることによって、多くの種類の腐食は、金
J萬wJ:J:たは金属を含有するボール素子について
生じることが理解されるであろう。当該技術分野におい
てそのような金属製まlこは金属を含有覆るものとして
知られているのは、例えば、440Cステンレス鋼、4
40G超硬質ステンレス。
G E 44A炭化タングステン(コバルトににって接
合されている炭化タングステン粒子)、およびGE65
7(炭化タングスデン、コバルトJ5よびクロム)があ
る。後の2つの月利は、ゼネラルエレクトリック社から
市販されているものである。
ボールペンの技術分野においては他のボール材料、例え
ば、ガラス、セラミック、オーステナイトステンレス鋼
および被覆セラミックを用いることも提案されている。
幾つかのテストによると、被覆セラミックは、摩耗抵抗
が高く、また、腐食に対する抵抗性も良好であることが
示されている。
オーステナイトステンレス鋼は、耐食性は高いが、柔ら
かずぎてボールペン用ボールとしての所要の摩耗抵抗を
有していない。セラミックは、ペン用ボールを構成する
材料として好ましい材料とじて 7−
考えられてぎたが、本発明が達成される前までは、所要
の物理的性質(その性質の一つが多孔度を低くすること
である)を備えていなかった。
また、多(のセラミック材料は、摩耗性が高くて不適で
あった。最近、米国において、[レラボール(Qera
ball ) Jと称されるボールを用いた日本製ボー
ルペンが市販されている。化学分析によると該ボール゛
は炭化ケイ素から構成されている。
本発明の概要
本発明に従えば、少なくとも部分的に安定化されたジル
コニア(酸化ジルコニウム)系セラミックから、ボール
ペンのボールとして有用な液体移送用ボールが形成され
る。本発明に従うジルコニア系セラミックボールは、焼
結されたジルコニア粒子から形成され、ここで、焼結と
は、溶融およびその他の既知の方法(例オば、成形およ
び/または加圧)を用いることなく粒子を互いに直接結
合させて未焼成体(グリーンボデー)とし、次いで、焼
結温石まで焼成したものをいう。本発明の液体移送用ボ
ールを形成するための一つの方法は、8−
従来から存するジルコニア製分散用ボールを加熱均衡加
圧(hot 1sostatic pressing
)することである。別の方法として、従来技術を用いて
、少イすくとも部分的に安定化されたジルコニア製分散
用ボールを形成することによっても本発明の液体移送用
ボールを形成することもできるが、ジルコニア粒子の平
均粒子径はかなり小さくしておく。
これらの方法のそれぞれによって、本発明の液体移送用
ボール素子が形成され、ボールペンのボールとして用い
られ得るセラミック製ボールが得られる。最終的に得ら
れるボールの多孔度は、従来のジルコニア製分散用ボー
ルに比べるときわめて減少している。すなわら、約20
体積%から、8%より低い値にまで減少している。多孔
度(porosity)がこのように減少していること
によって、ボールは研磨後、ボールペンの液体(インク
)移送用素子として使用され得るようになる。本発明の
ボールを用いるペンは、ローリングボールペン、t k
わち、水性の低粘度インクを使用するペンに、特に有用
である(従来からのボールペンとしては油11の高粘爪
インクを用いるbのの方が多い)。
しかしながら、本発明は、比較的高粘度のインクを用い
るボールペンにも同様に適用され所望の効果を奏でるこ
とを理解されたい。
ボールの多孔度を上述のように界ならせるには、一つの
製造T稈どして、当該ジルコニア系セラミックを得るた
めのスリップに用いるバッチ固形分を振動ミル操作に供
して粉砕することによって約0.5から1ミクロンの平
均粒子径にする。研磨後の表面荒さく算術平均値)は、
ローリングボールペンについては0.10〜0.15ミ
クロンの範囲にあり、J、た、高粘11インクペンにつ
いては0.04〜0.05ミクロンの範囲にある。
光学像分析(optlcal tma(1(3alla
lysis)ににツで測定した平均多孔度が約2%より
も小さいジルコ1ニア製ペンボール用ロットは、0.0
4〜0.05ミクロンおJ:び0,10〜0.15ミク
ロンのいずれの範囲にまで什−ト処即されることができ
、したがって、いずれの種類のペンにも好適である。3
〜8%の範囲にある多孔度を有するボール用ロットは、
o、io〜0.15ミク[1ンに処理されることができ
、ローリングボールペンに使用されるのに適している。
多孔度が約8体積パーセン1〜よ□りも大きいボールは
、0.15ミクロンを超える荒さに仕上げ処理される。
ぞのようなボールを備えるペンは筆記中に好ましくない
きずを生じることがあり、また、ソケッ1〜を過度に摩
耗させることがある。しかしながら、荒いボールは、平
らな表面またはすべり易い表面に筆記するのには優れて
おり、特定な用途において1.:iそのようなボールが
望ましい特性を発揮することもある。
多孔度の他に、ペンボールに重要な因子は強度である。
ボールは、ペンの組立ておj;び使用中に課される応力
に破損することなく抗しなければならない。本発明のジ
ルコニア製ペンボールは、60ボンドを超える破壊強度
を有しており、そのにうな要求を満たしている。
荒さが同じ場合、本発明のジルコニア製ペンボールは、
(ローリングボールペンに対して)、ペ11−
ンのシー1〜を摩耗する速度が、接合炭化タングステン
製ボールj;りもかなり小さい。これらのジルコニア製
ペンボールにおいては化学的腐食または電食は認められ
なかった。また、ジルコニア製ボールの筆記中の摩耗は
無視できる。
j:た、本発明のボールは、炭化タングステン製ボール
よりも線特性(1ine quality)が向上して
おり、(qられる線の長さが長くなっていた。この特徴
は、ジルコニア−インク系の湿潤特性に関係があるもの
と考えられる。本発明のボールは、水性インクに、」;
つであらゆるすべりやすい表面において筆記することが
できる。さらに、本発明のボールは、1秒当り11n、
を超える透電で連続的に筆記を行なうことができ、試験
した他のペンボール用材料のいずれよりも迅速であった
。ジルコニアのブランクのロットから仕上げ処理して得
られるボールの均質性は、炭化タングステンブランクの
ロッ1〜から得られるものよりも優れており、同程度の
大きさのブランクを仕上げ処理するのに低廉であった。
12−
以上のことを総括すれば、ジルコニアセラミックの幾つ
かの特徴が、ペンボールどしての挙動、すなわち、潤滑
性、インクによる湿潤性、摩耗抵抗、おJ:び耐食性に
優れた効果を与えるものと考えられる。本発明のジルコ
ニア製ボールがペンに用いられるのに重要でありk考え
られる基本的な性質は、(1)多孔度が低いこと、およ
び(2)必要な強度を有していることである。ローリン
グボールペンに使用される場合には、ジルコニアボール
は約0.10〜0.15ミクロンの荒さに仕上げ処理さ
れることが好ましく、これによって、0から約8パーセ
ントの範囲の多孔度を有するボールが得られるようにす
る。高粘性インクのペンに用いられる場合には、それら
の値を0.04〜0,05ミクロンおよびO〜約2%に
する。しかして、本発明に従う 1.5#のボールブラ
ンク(未研磨ボール)を接合炭化タングステン製アンビ
ルの間で圧縮(クロスヘッドの速度は約0.2mm1分
)したときの破壊強度は60ポンドを超えている。
本発明の詳説
ジル=】ニア製ボールを製造する方法そのものは、例え
ば、ペンキおよびインク顔料を分散させるために高速度
分散ミルに用いられているように従来から知られている
。
(従来技術のボール:その製造方法)
ジルコニアをベースとするペイント・顔料分散媒(71
rcoa13047irbead、 −1−ニングガラ
ス社の商品名)を製造するためのゾル−ゲル法(the
sol−get process )と称される方法
は、本発明の出願人である]−ニングガラス社(c o
rningG 1ass WOrkS)によって約20
年間実施されてきた。この方法によるボールは、例えば
、ペイントの製造に際しての分散媒として、また、摩砕
の目的のために使用されている。この方法は第1図に図
示されており、後に説明する。得られる生成物【ユ、0
.5〜3.4mmの範囲の直径を有するボールであり、
殆んど完全に非透過性であり、研磨部分を像分析でるこ
とによって測定すると約20体積パーセントの多孔度を
有しているのが一般的である。
このように多孔度が高いために、該ボールは、ペンボー
ルとして使用されるJ:うに充分に平滑な表面になるま
で研磨されることができなかった。その理由は、研磨に
よって非透過性の表面層が除去されることによって、ボ
ール内部の高多孔部分が露出されるからである。
この従来から存覆るゾル−ゲル法は、可溶性アルギン酸
塩(アルギン酸アンモニウムまたはアルギン酸す1〜リ
ウム)と特定の多価金属塩(例えば、アルカリ土類金屑
ハライド、Ca C9,2)の水溶液とを既知のJ:う
に反応させてゲルを形成させることに基いている。次式
はこの反応を示t:2(アルギン酸N +−14) 十
ca Cえ2ごアルギン酸Ca +2 N l−1a
C9,。
海草からの誘導物であるアルギン酸アンモニウムは、M
erCk&CO0から商品名3 uperloidで入
車できる。
(セラミックの組成)
」一連の従来からのペイント分散媒と本発明に従う新規
なペンボールとは、本質的に同じ化学組成、すなわち、
Z r 0296,5重量%およびM(103,515
−
%(モル比90:10)から成ることかできる。更に、
摩砕用ボールは、Hf 02 、 S ! 02および
CaOのような酸化物を少量含有しており、これらの酸
化物は、バッチを配合するときにジルコニア粉末とども
に導入される。MgOのレベルを3,5%としたのは、
最大重1675℃でトンネルキルンで焼成したどきに最
大の破砕強度を右するボールを生成することが見出され
たからである。
組成物中にMoOを存在さぜるのは、ジルコニアを等軸
晶構造(cubic form)で安定化し、また、焼
成温度から冷却する際に起こる正方品系(tetrag
onal)から単斜晶系(monoclinic)結晶
構造への変化を回避するためである。当該技術分野にお
いては、Ca O,Y203 、CeO2その他の材籾
を単独に、または混合して用いることによってもジルコ
ニアを安定化する効果があることがよく知られている。
これらの化合物およびその他の安定剤も、ペンボールに
使用されるのに好適なジルコニアセラミックを生成する
ーbのと予測される。
このJ:うな組成についての検討は米国特許(再発16
−
行特許)第28,792号および米国特許第4,035
,191号において行なわれている。
(スリップの組成とその処理)
従来から用いられている分散媒/摩砕用ボールを得るた
めに使用されたスリップの組成および本発明のペンボー
ルを生成するために使用されたスリップの組成の例は次
のとおりである。
第 1 表
(重用パーセント)
従来からの分散媒
成 分 および摩砕用ボール ペンボール1rcoa
A −G raill”147.52 49.84AM
A Grain
S 992”221.59 −−−
tVN] (Ol−1) 2 3.52 2.59水
26.06 46.49
S upreloid O,220,391)arva
n 7 1.09 −−−N 01100SperSe
44 −−− 0.69※I CorninqG 1
ass WorkslFJ、単斜晶系酸化ジルコニウム
。
※2 米国ニューハンプシャー州のA ssociat
cdM ir+erals C01ISO1idate
l1社製、単斜晶系酸化ジルコニウム。
S uperloid (アルギン酸アンモニウム)、
Darvan 7、およびN opCosperse
44 (後者の2つは、水性溶液中のポリアクリル酸ナ
トリウムから成るアニオン性ポリ電解質である)は、そ
れぞれ、Kelco、 R、T、 Vanderbil
t社およびl) iamon Sllamrockネ1
製のものである。水、ならびに、解膠剤である1)ar
Van 7おにびN 0plJSperSe 44の量
を表に示す値から変えて、スリップの密度および粘度を
調節してもJ−い。
分散媒および摩砕用ボールのバッチは16時間ボールミ
ル操作に供されて、約2ミクロンの平均粒径を有するス
リップ(スラリ)を生成する。従来の摩砕用ボールのス
リップ、および、本発明のスリップ(ペンボールと標記
している)の典型的な粒径分布は第2表に示されている
。本発明のためのペンボール用バッチは、振動ミルにお
いて1から約0,5ミク[1ンの範囲の平均粒径に<r
るまで破砕され、これに要するミル操作時間は約48〜
72時間である。ペンボール用バッチどして表記した2
つの分布は、ペンボールを製造するのに実際に用いられ
た分布の限界をほぼ定めるものである。バッチの平均粒
径が約1ミクロンを超えるとぎには、後の実施例1のJ
:うに追加の処理を行なわないかぎり、得られるボール
は多孔性が高すぎてペンボールとしてIJ、不適である
。
第 2 表
従来技術にJ:るジルコニア製分散媒/摩砕用ボールお
よび本発明のペンボールを製造するためのスリップのバ
ッチ粒径分布
=19−
第2図および第3図の曲線A I、k 、ゾル−ゲル法
によって形成された従来からの分散!II/摩砕用ボー
ルの典型的な粒径分布を図示するものである。
〈ボールの形成〉
第1図は、従来からボールを形成するために用いられる
方法を図示するものであり、この方法は、本発明におい
ても用いられる(但し、平均粒径を小さくする)。スリ
ップすなわちスラリ10は、密閉容器12に配置される
。容器10は、バルブ18を介して磨管16に供給され
る高圧空気14によって、加 20−
圧され得るようになっている。この加圧によって、スリ
ップ10は、滴を形成するための多数のノズル24を備
えるマニホールド22に流入する。ノズルとしてはステ
ンレス鋼またはプラスチック製の管を用いることができ
、ノズルの開口が大きくなるほど滴の直径が大きくなる
。また、滴の大きさは滴下速度によっても影響されるこ
とも見出されており、1秒当り2〜3滴の速度が典型的
である。
ノズル24からの滴26が容器30内のCaCL2容器
28に入ると、アルギン酸アンモニウムとの交換反応が
起こり、スリップをゲル化する。容器28の深さは約1
6インチであり、ゲル化ボールが容器の底および他のボ
ールと衝突することによって損傷を受けないように生成
されるのに充分である。
ゲル化ボール34は、溶液から回収され、水で洗浄され
て残留CaC9J2が取り除かれ、さらに、乾燥装置内
に約100℃において配置されて水分が除去される。
(焼 成)
上記のようにして乾燥されたボール34は、次に、安定
化ジルコニア製るつぼに入れられ、以下の条件下に1〜
ンネルキルン中で焼成される。
室温 110℃/鴨 870℃ −ぢlΔと/」呪」し
1675℃、1675℃で4時間保持 ユ跨!乙駈興1
340℃ 95℃/時間> 870℃ 、115”C;
z2時」し室ンに晶
この焼成S[程ににす、はぼ全体が等軸晶ジルコニアか
ら成り歩出の正方晶系および単斜晶系析出物を右するボ
ールが生成する。ボールの靭性を増重ことが所望される
場合には、1340’CよりI)低い温度範囲で保持1
゛ることににって析出物の量が多くなるJ:うに冷却条
件を変更してもよい。
焼成後の分散ts/摩砕用ボール(よ、研磨部分を光学
像分析によって測定したときに約20体積%の多孔度を
イjしているのが一般的である。光学像分析は、[)
1g1tal E quipment Corpora
Nonから市販されており、ライソ構造分析i1 (l
eitz texture analyzing s
ystem 、モデルN o、1980)と、プログラ
ム可能なデータブ[1セツサ(モデルPI)P11/3
4)とから成る像分析コンピュータシステムを用いて行
なわれた。光学像分析法は、既知であり、例えば、J、
3erraによる[数学上の形態と像分析(lyjat
hematical Morphologyand■m
age Analysis ) J (米国N ew
York、Δcademic p ress 1982
年発行)に記載されている。
本発明に従いペンボール用として適したボールは、約8
パーセントよりも低い多孔度を有していな(プればなら
ない。そのようなボールは、以下の実施例に示すにうに
、従来からの摩砕用ボールを処理してその多孔度を減少
させることににって製造することができる。
実施例1
従来技術による焼成後のボールの多孔度を本発明に適す
るように8体積パーセント、場合によっては0.5パー
セン1へよりも低いレベルにまで減少させるには、加熱
均衡加圧を用いることができる。
この技術そのものは既に知られており、例えば、米国特
許第3,562,371号に記載されている。従来技術
による焼成後のボールはガスに対して実質的に透過性で
あるので、加熱均衡加圧の高温と高圧23−
が組合せられることによって、殆んど完全に密なボール
を生成ηることができる。次に示す加圧均衡加圧条イ1
は、従来技術による分散tX/摩砕用ボールを処理して
本発明のペンボールを生成するのに効果的なものである
。
室温 27℃/分 1600℃ 1600℃で2時間保
−−−→ →
持 27℃/分 1200℃ 1200℃で45分間保
持−−−一−−−ン −−−)
13℃/分 室温
一−−→
1600℃においてアルゴンの圧力を30,000ps
i(2100/rg/ ci )とする。通常採用され
る1675℃よりもかなり低い温度(例えば、1550
℃)において予備焼結されたボールを加圧均衡加圧して
充分な密反のものにづ゛ることができる。低温の焼結は
、粒子内部ではなく粒界において殆んど全ての多孔性が
存するようなボールを生成する。加温均衡加圧は、粒界
に存する多孔性を除くのに非常に効果であり、粒子内部
の孔に対する効果はj;り小さい。
過度に非球形のペンボールは、ASTMD1155−5
3に示されているような振動テーブルを用いて処理する
ことができる。
−25−、A。
24−
(その仙のボール形成法)
微細1.<粉末から球形物を形成するには多くの方法が
文献に記載されており、また、その他の可能14も考え
られる。後者の例としては、(1)円形断面を有する棒
状物を押出成形して小片に切断し、該切断の前後に焼成
を行なうものや、(2)粉末を乾式加圧して正確な円柱
物を形成するものであり、いずれの場合において:b1
所望の球形を得るには、焼成後の円柱物を強く粉砕する
こと(材料の少なくとも40%を除去することを含む)
が必要である。
乾燥または湿潤状態の微細粉末を回転J−る容器内で混
転させ固結ににって小球を形成するには幾つかの方法が
文献に記載されている。この方法は、一般に、[ポーリ
ング(ballin(1) Jまたハ[ヘレタイジング
(pelletizino ) Jと称される。
Metssner等による[M化亜鉛粉末のペレット化
速If(Rateof pelletizationo
f 7incQxide powders) l (I
&ECproCessDesiqn & Rev、、5
(1) 10〜14 (196G))26一
ど称される論文には、サブミクロンの粉末から酸化亜鉛
ペレットを形成するための無結合剤乾式法が記載されて
いる。この方法においては、約200メツシコの大きさ
の予備圧縮された酸化亜鉛粒子から成るシード(see
d)を、乾燥したサブミクロン酸化亜鉛粉末を含有する
ドラムに導いている。
そして、密封されたドラムが33〜110rpmの一定
速度で回転すると、シードが固結によって生長して球状
物となる。
KapurおよびI” uerstenauによる[濁
式ペレット化の核領域における粒径分布と速度関係(S
ize 1)istrN]吋i0n and K 1n
etic Relationship in tl>e
Nuclei Region of Wet pel
let:1zation) J (I&FCProce
ss Desion& Rev、、5(1) 5〜10
(1966))の記載によれば、回転するドラム内で湿
潤した石灰石粉末を混転することによってボールを生成
している。
この方法においては、40〜50体積%の水を石灰石と
混合し、次いで、湿ったバッチをスクリーンに通して微
細な粒子を得ている。次に、内周に上昇用バーを含有す
るドラム内で該粒子を混転させている。ドラムが回転す
るにしたがって、中の物質は小球状の凝結物となり、そ
の大きさはドラムの回転数が大きくなると増大している
。このようにして直径5 mmまでの球状物が得られて
いる。
Williamsによる[遊星回動法により粉状物から
大きさの制御された球状物の製造(F abricaN
onof 5pheresof Controlled
3izefrom P owder M ateri
als lay P 1anetaryRollin(
] TechniqLIe) J (Proc、Br1
t、Ceram、3 QC,、N 0012.1969
年3月号)にも、セラミック球状物を製造するための類
似した方法が記載されている。この方法においては、シ
ードとなる小球状物は、粉状物/バインダから成るバッ
チが系統的に添加されつつ、シードとなる小球状物は″
ti星回転するミル内で固結ににり生長する。
固結の速度は、粉末原料中のn−デカノール(バインダ
)の濃度を調節することによって制御されている。製造
を制御するためには、バインダの濃度(レベル)を次の
ように遂次的に変えることが27−
必要であるとされCいる:
1、シードとなる球状物を形成するためには、高い澗麿
2.3!続的な添加においては、中間の濃度3、球状物
を得るためには、低81麿。
次に、Ca1leSおJ:びS utherlandに
よる[懸濁液中の微細固形物からの球状物の形成(F
ormation of 5pheres from
F 1nely D 1vidcdSolids in
1iquid 3uspension ) J (D
esi!]11& Development、 6 (
1) 146〜54(1967) )には、懸濁液中の
粉末から球状物を形成する方法が開示されている。該方
法においては、懸濁液を少量の第2の液体(これは固形
分を選択的に濁潤し、第1の液体とは混合しないもので
ある)とともに攪拌することによって分散粉状物が凝固
させられて球状物となる。攪拌中に粉状物は第2の液体
によって被覆されるようになり凝結して球状物を形成す
るのである。この論文の研究においては、第1の液体は
四塩化炭素であり、また、第2の液体は、水、メタノー
ルまたはそれらの混28−
合物である。代表的なバッチ組成は次のとおりである。
砂 10g
四塩化炭素 75cc
水 2CC
セラミック製ボールを生成するためのゲル化を基礎にす
る他の方法も幾つか報告されている。1」aaS等によ
る「内部ゲル化によりウラニア球状物を調整するための
化学的フロースリート条件(Chemical F I
owsleet Conditions for p
reparing U rania S phares
by I nternalGelation )J
(1&FCProduct Res。
Dev、19(3) 459〜67(1980))と称
される論文によれば、硝酸ウラニウムの液滴を化学的に
ゲル化することによってUO2ボールが生成されている
。硝酸ウラニル溶液に溶解されているヘキリメチレンテ
1−ラアミン(トIMTA)が分解してアンモニアを放
出し、このアンモニアが水和UO2ゲルを析出させる。
この方法においては、液滴は加熱されIζトリクロロエ
チレン浴に沈畔し、1−1M TΔの分解が生じる。得
られた球状物は、0.5Mの水酸化す1〜リウム溶液に
より洗浄された後、乾燥され焼成される。
1J−た、llardwick等による米国特許第4,
182,627号によれば、ゲルを基礎とづる方法によ
って、コバル1〜が結合された炭化タングステンから成
るペンボールが製造されている。該特許の方法において
は、炭化タングステン粒子、グアルゴム、硝酸コバル1
〜のJ:うな可溶性コバルト塩おにび湿謀剤から成る混
合物から滴が形成される。しかして、該滴は、水酸化す
1〜リウムの8N水溶液に接触させられたとぎにゲル化
している。jqられた球状物は、水洗後、環境温度下に
空気乾燥され焼成されている。
なお、前述したような円柱物の乾式加圧は、5000〜
2000psiに加圧された2〜4重吊パーセン1〜の
カーボワック人20M (Cart+owax 20M
)を含有する噴霧乾燥粒状化粉末を用いて行イfうこ
とができる。
また、前i!Ii シたような円形断面の棒状物の押出
成形は、水によ−>−’C可塑化された2〜5flif
flパーレント・のメ1−セール20M (M eth
ocel 20M )を含イ1する粉末状バッチを用い
て行なうことができる。押出の前には、マラーミキサー
において混合を行なうことが好ましい。
前述したようイr方法はいずれも、第2表においてペン
ボールと標記したJ:う?X粒径分布にまで粉砕された
バッチ組成物を用いることによって、ジルコニア製ペン
ボール用のブランクを調製するのに用いることができる
ものである。
実施例2
この実施例(ま、本発明のペンホールを形成するための
別の方法を示すためのものである。本例の方法において
は、ペンボールを製造するに当たり前述したような加熱
均衡加圧法は包含されていない。本実施例は、第2表に
関連して前述したバッチを含有する平均粒径の小さい酸
化ジルコニウムを採用でる。本実施例は、3.5重用パ
ーセントのMooを含有しボールペン用ボールを形成す
るのに好適イ【安定化ジルコニアセラミックの製造法と
31−
性質を説明するものである。
4540ccの水および125ccのN 0pCO8p
erSe 44(水性溶液「;]のポリアクリル酸ナト
リウムから成るアニオン性ポリ電解質)を10.950
gのジルコニア(Zircoa A−Grain)およ
び568gの水酸化マグネシウムとともに攪拌すること
によって懸濁液を調製した。この混合物を、安定化ジル
コニアh11う成る摩砕媒体が入れられた振動ミルに配
置して、72時間にわたり粉砕し、平均粒径が0.60
ミクロンのスリップを生成した。第2図および第3図の
曲線Cは、本実施例の酸化ジルコニウム含有バッチの粒
径分布を示すものである。また、第2図おにび第3図の
曲線Bは、平均粒径が1ミクロンよりも僅かに小さい他
のバッチの粒径分布を示ずものである。曲線Bは、加熱
均衡加圧を用いずに低多孔度のペンボールを与えるよう
なバッチの上限の平均粒子径を表わすものと考えられる
。
(ここで、この平均粒子径は、分散ts/摩砕用ボール
を製造するための従来のものの平均粒子径の2分の1よ
りも小さいことが理解されるであろう。
32−
5675ccの水に85gのS uperloi(1(
アルギン酸アンモニウム〉を溶かした溶液を調製1]で
、]−記のミル操作後のバッチと混合した。
得られたスリップを325メツシ]のスクリーン(篩)
に通し、該スリップを密閉容器内で真空に引いて空気を
除去した。次に、第1図に示1ように、空気14の圧力
により、ダクト22および複数のノズル(22ゲージの
ステンレスMNからなる)に該懸濁液をシりき、ゲル化
用の′a滴を形成した。
ca ci。の水溶液から成り 1.073/ cm
”の比重を右する浴28に、ノズル24から滴26を落
下さゼると(第1図参照)ゲル化が起った。粒滴は落下
後さらに15分間溶液中に滞在さげて、後続の処理T稈
において変形し4にいにうにした。次に、該粒滴を流水
中で充分に洗浄した後、100℃の電気乾燥器に入れて
一晩保持した。
乾燥後の粒滴を安定化ジルコニア製るつぼに入れ、前述
した焼成条件下にガス燃焼トンネルキルン中で1675
℃;1:で焼成した。
焼成によって1ηられl、:ペンボールは、等軸晶ジル
コニアから構成されており、等軸晶結晶内に少量の微細
な正方晶ジルコニアが析出していることが見出された。
水銀ボロシメークで測定するとボールのみかけの比重は
5−68 g/ Cm3であった。
また、その平均直径は1.40mmであり、標準偏差は
5.2%であった。ペンボールを2つの接合炭化タング
ステン製プレートの間に配冒し、インストロン機械試験
装置を用いて圧縮力をかける(クロスヘッドの速10
、2 mm /分)ことによって、破壊強度を測定した
。イfお、測定に用いた該プレートは6パーセン1−の
コバルトを含有し、硬度が90RC(ロックウェル硬度
)であり、0.05ミクロンに什上げ処理されたもので
あった。10個のボールの平均破壊強度は94.4ボン
ドであり、標準偏差は11.2パーセン1−であった。
ボールの研摩部分を光学像分析すると、ボールの平均多
孔度は1.01体積%であり、標準偏差は25.8パー
セントであった。平均孔径は2.73ミクロン(標11
を偏差4.0%)であり、主要な孔の直径は2,25ミ
クロンであった。
これらのペンボール用ブランクのロットを表面荒さが0
.10〜0.15ミクロンになるまで仕上げ処理してペ
ンボールを作りローリングボールペン用とした。また、
別のロットを仕上げ処理して表面荒さを0.04〜0.
05ミクロンにし、粘性なインクを用いるボールペン用
に供した。
さて、第4図には、本発明のペンボールを用いた代表的
なボールペンの先端部が図示されている。
参照番号50は、先端部全体を指称しており、ステンレ
ス鋼製である場合が多い。孔52は芯を受容しており、
該芯は筆記用インクの収容部に連結されるようになって
いる。先端部50にはインク流通用溝54が形成されて
おり、一般にプラスチック製シート56内に配置されて
いる。先端部50の縁は58において打面処理されて、
図示するようなソケット内でペンボール60を回転可能
に保持する。
このようにして、本発明は、完全に又は部分的に安定化
された酸化ジルコニウムから構成され、任意の手段を用
いて球状ボールに形成されて、ペンのインク収容部から
該インクを筆記表面(例え35−
ば、紙)に定量移送するために用いられるセラミック体
を提供するものである。
本発明の液体移送用ボールの組成は、次の一般式によっ
て表ねずごとができる。
(Zr 02 ) l−x (Ry Oz ) xここ
で、Rは、酸化物において安定な+2.+3または+4
の原子価を有するカチオンを形成するような元素群より
選ばれる少なくとも1種類の元素であり、×は、約0.
05から約0.3の値を有づ”る数字を表わし、また、
yおよびZは、RVO7を電気的に中性にするのに充分
な値を有する数字を表わすものである。Rとして好適な
元素の例は、マグネシウム、カルシウム、イツトリウム
。
スhンジウムおよびランタニド系列元素(例えば、セリ
ウム、ネAジミウム、4ノマリウム、イツテルビウlz
)であり、これらの元素は、それぞれ、酸化物MgO
,Ca O,Y203 、SC203、CQ 02 、
Nd 203. Sm 203およびYb2O3を生成
する。最初の2つの酸化物は、周期律表TIA族の元素
の酸化物であり、他の酸化物は、周36−
期i4)表IIIB族(ランタニド系列を含む)の元素
の酸化物である(米国オハイオ州クリーブランドのCR
CP ress社発行のl」andbook of C
hemistry and Pbysicsの第50版
、B−4頁参照)。また、これらの酸化物、例えば、M
(IQとY2O3の混合物も好適である。この場合、×
は同じ範囲の値である。
本発明に従えば、物理的おにび化学的性質が非常に調製
された酸化ジルコニウムボデーによって、ボールペン用
のボールとして優れた挙動に必要とされるすべての性質
の最適な組合せが1すられる。
このJ:うな最適の諸性質が発揮されるために、酸化ジ
ルコニウムボデーは他の材料よりも当該用途に著しく適
したものとなる。例えば、1時間当たり0.19 gの
インクを定量移送するように設計された炭化タングステ
ン製ボールペン用ボールは、ソケッ1〜を摩耗させイン
クの移送速度を増加させて、収容インクを5〜6時間で
消費する。これに対して、本発明のZrO2製ボールは
、当初の移送速度0.19g/時間とすると最終段階で
も0.22g/時間であり、13〜16時間にわたって
インクを供給する。炭化タングステン製ボールおよびそ
の他の+J IIから成るボールは、水性インクに接触
すると初期に腐食を生じる性質がある(5%1−1NO
3溶液で5分後)。また、酢酸溶液中の試験ににれば、
炭化タングステン製ボールは5分〜24時間に激しい腐
食を示ず。これに対して、7r 02は、耐酸の作用に
対して全く不活性である。更に、オーステカイ1〜系ス
テンレス鋼は、比較的柔らかくて、紙のごとき表面への
接触に対して摩耗抵抗を有していない。他方、75〜9
5RCの硬麿を有するZrO2は、たいていの接触表面
によって影響を受(プない。
本発明の低多孔度(8%より低い)酸化ジルコニウム製
ペンボールは、酸化ジルコニウムと安定剤から成り、第
2図および第3図の曲線Aによって示されるような粒径
分布を有する従来からの分散媒用ボールを加熱均衡加圧
することにより、従来から存するスリップから製造する
ことができる。
別の方法として、第2図および第3図の曲線Cによって
示されるような粒径分布を有する酸化ジルコニウムから
成るスリップを調製し、次に、従来から存するゾル−ゲ
ル法を用いてボールを形成する(10し、加熱均衡加圧
を必要としない)ことにより、約8%にり低い多孔度を
有するボールを1qることもできる。[;L1 Corrosion may occur relatively quickly on the area. Of these two types of corrosion, localized corrosion is the most troublesome. Five types of localized corrosion are generally recognized, and these are due to stress distortion resulting from, for example, cold working, heat treatment, or external stresses during pen use. Types of corrosion include pitting, which is thought to be due to the presence of cotton dust and dust; crack-like corrosion, which is thought to be caused by metal-to-gold contact; and corrosion, which is thought to be caused by different metals coming into contact with the electrolyte. Electrolytic corrosion: There is intergranular corrosion. This corrosion occurs on unannealed austenitic stainless steel balls. Chromium in the stainless steel may precipitate as chromium carbide at grain boundaries. Grain boundary carpions act to remove chromium from adjacent regions, rendering those regions susceptible to corrosion in certain environmental regimes. Additionally, corrosion is caused by or affected by impurities in the ball, and the environmental temperature generally increases corrosion activity. The degree of ventilation to the ball usually affects the rate of corrosion, and corrosive agents (
The velocity of the ball surface relative to the ink, socket, etc.) often influences the corrosion rate. By knowing the behavior of conventional ball elements as liquid transfer elements in ballpoint pens, it can be understood that many types of corrosion occur with ball elements containing gold or metal. Probably. Such metal sheaths are known in the art to include, for example, 440C stainless steel, 440C stainless steel, and 440C stainless steel.
40G super hard stainless steel. G E 44A tungsten carbide (tungsten carbide particles bonded by cobalt), and GE65
7 (tungsden carbide, cobalt J5 and chromium). The latter two monthly rates are commercially available from General Electric Company. Other ball materials have also been proposed in the ballpoint pen art, such as glass, ceramic, austenitic stainless steel, and coated ceramic. Some tests have shown that coated ceramics have high wear resistance and also good resistance to corrosion. Although austenitic stainless steel has high corrosion resistance, it is too soft and does not have the wear resistance required for a ballpoint pen ball. Ceramics have been considered as a preferred material for constructing pen balls, but until the invention was achieved, ceramics lacked the necessary physical properties, one of which was low porosity. ). In addition, ceramic materials such as polyurethane are highly abrasive and are therefore unsuitable.Recently, in the United States,
A ballpoint pen made in Japan using a ball called ball J is commercially available. Chemical analysis shows that the ball is composed of silicon carbide. SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the present invention, a liquid transfer ball useful as a ballpoint pen ball is formed from an at least partially stabilized zirconia-based ceramic. Zirconia-based ceramic balls according to the present invention are formed from sintered zirconia particles, where sintering refers to sintering without the use of melting and other known methods (e.g., shaping and/or pressing). Particles are directly bonded to each other to form an unfired body (green body), which is then fired to form a sintered hot stone. One method for forming the liquid transfer ball of the present invention is to heat a conventional zirconia dispersion ball by hot isostatic pressing.
)It is to be. Alternatively, the liquid transfer balls of the present invention can be formed using conventional techniques by forming at least partially stabilized zirconia dispersion balls, but the zirconia particles The average particle size of is kept fairly small. Each of these methods forms the liquid transfer ball element of the present invention and provides a ceramic ball that can be used as a ballpoint pen ball. The porosity of the final ball is significantly reduced compared to conventional zirconia dispersion balls. That is, about 20
% by volume to less than 8%. This reduction in porosity allows the ball, after polishing, to be used as a liquid (ink) transport element in a ballpoint pen. A pen using the ball of the present invention is a rolling ballpoint pen, tk
In other words, it is particularly useful for pens that use water-based low viscosity ink (as conventional ballpoint pens, type b uses oil 11 high viscosity ink). However, it should be understood that the present invention can equally be applied to ballpoint pens using relatively high viscosity inks with the desired effect. In order to limit the porosity of the balls as described above, the batch solids used in the slip for obtaining the zirconia-based ceramic are crushed by subjecting them to a vibratory mill operation in one production T culm. The average particle size is between 0.5 and 1 micron. The surface roughness after polishing (arithmetic mean value) is
For rolling ballpoint pens, it is in the range of 0.10 to 0.15 microns, and for J, high viscosity 11 ink pens, it is in the range of 0.04 to 0.05 microns. Optical image analysis (optlcal tma(1(3alla)
Zirco 1 nia pen ball lots with an average porosity of less than about 2% as measured by
It can be processed to any range from 4 to 0.05 microns and from 0.10 to 0.15 microns, and is therefore suitable for any type of pen. 3
A ball lot with a porosity in the range of ~8% is
It can be processed to 0.15 mm, suitable for use in rolling ballpoint pens. Balls with porosity greater than about 8 volume percent are finished to a roughness greater than 0.15 microns. Pens with balls like this can create undesirable scratches during writing and can also cause excessive wear on the socket 1. However, rough balls are better for writing on flat or slippery surfaces, and in certain applications: 1. :i Such a ball may exhibit desirable properties. Besides porosity, an important factor for pen balls is strength. The ball must withstand the stresses imposed during pen assembly and use without breaking. The zirconia pen ball of the present invention has a breaking strength of over 60 bond and satisfies these requirements. When the roughness is the same, the zirconia pen ball of the present invention is
(For rolling ballpoint pens), the rate at which the seams 1 to 1 of the pen 11 wear out is considerably lower than that of the bonded tungsten carbide ball. No chemical or electrical corrosion was observed in these zirconia pen balls. Also, the wear of the zirconia ball during writing is negligible. j: Also, the ball of the present invention has improved line quality (1ine quality) than the tungsten carbide ball, and the length of the line (q) is longer. It is believed that this is related to the wetting properties.The balls of the present invention are suitable for water-based inks.
Can be used to write on any slippery surface. Furthermore, the ball of the present invention has a speed of 11n per second,
It was possible to write continuously with a current transmission of more than 100%, which was faster than any of the other pen ball materials tested. The homogeneity of the balls obtained by finishing from lots of zirconia blanks is superior to that obtained from lots 1 of tungsten carbide blanks, and it is less expensive to finish finishing similarly sized blanks. there were. 12- To summarize the above, several characteristics of zirconia ceramics contribute to its behavior as a pen ball, including excellent lubricity, wettability with ink, abrasion resistance, and corrosion resistance. It is considered to be something that gives. The basic properties considered important for the zirconia ball of the present invention to be used in a pen are (1) low porosity, and (2) necessary strength. When used in rolling ballpoint pens, the zirconia balls are preferably finished to a roughness of about 0.10 to 0.15 microns, which results in balls having porosity ranging from 0 to about 8 percent. make sure you get it. When used in high viscosity ink pens, the values are 0.04 to 0.05 microns and 0 to about 2%. Therefore, when a 1.5# ball blank (unpolished ball) according to the present invention is compressed between bonded tungsten carbide anvils (crosshead speed is approximately 0.2 mm/min), the fracture strength exceeds 60 pounds. ing. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The method of manufacturing near balls is known in the art, for example, as used in high speed dispersion mills to disperse paint and ink pigments. (Prior art ball: its manufacturing method) Zirconia-based paint/pigment dispersion medium (71
The sol-gel method (the
The method called sol-get process was developed by Ning Glass Co., Ltd., the applicant of the present invention.
About 20 by rningG 1ass WORKS)
It has been carried out for years. Balls produced in this way are used, for example, as dispersion media in the production of paints and for grinding purposes. This method is illustrated in FIG. 1 and described below. The obtained product [U, 0
.. A ball having a diameter ranging from 5 to 3.4 mm,
It is almost completely opaque and typically has a porosity of about 20 volume percent as determined by image analysis of the polished area. Because of this high porosity, the ball could not be polished to a sufficiently smooth surface to be used as a pen ball. This is because polishing removes the non-permeable surface layer and exposes the highly porous portion inside the ball. This traditional sol-gel method combines an aqueous solution of a soluble alginate (ammonium alginate or mono-lium alginate) with a specific polyvalent metal salt (e.g. alkaline earth gold halide, Ca C9,2). Known J: Based on the reaction of sea urchin to form a gel. The following formula shows this reaction: t:2(alginate N +-14)
C9,. Ammonium alginate, a derivative from seaweed, is
You can get it from erCk&CO0 with product name 3 upperloid. (Ceramic Composition) The series of conventional paint dispersants and the novel pen ball according to the present invention have essentially the same chemical composition, namely:
Z r 0296, 5% by weight and M (103,515
-% (molar ratio 90:10). Furthermore,
The grinding balls are Hf 02, S! It contains small amounts of oxides such as 02 and CaO, which are introduced along with the zirconia powder when compounding the batch. The MgO level was set to 3.5% because
This is because it has been found that balls with maximum crushing strength are produced when fired in a tunnel kiln at a maximum weight of 1675°C. The presence of MoO in the composition is intended to stabilize zirconia in the cubic form and also to reduce the tetragonal structure that occurs during cooling from the firing temperature.
This is to avoid a change from a monoclinic crystal structure to a monoclinic crystal structure. It is well known in this technical field that zirconia can be stabilized by using CaO, Y203, CeO2, or other materials alone or in combination. These compounds and other stabilizers are also expected to produce zirconia ceramics suitable for use in pen balls. This J: Examination of eel composition is based on the US patent (recurrence 16
- U.S. Patent No. 28,792 and U.S. Patent No. 4,035
, No. 191. (Composition of the slip and its treatment) Examples of the composition of the slip used to obtain conventionally used dispersion medium/milling balls and the composition of the slip used to produce the pen ball of the present invention is as follows. Table 1 (Percentage of heavy use) Conventional dispersion medium components and grinding balls Pen ball 1rcoa A-Grail"147.52 49.84AM
A Grain S 992”221.59 --- tVN] (Ol-1) 2 3.52 2.59 Water
26.06 46.49 S upreroid O, 220, 391) arva
n 7 1.09 ---N 01100SperSe
44 --- 0.69*I CorninqG 1
ass WorkslFJ, monoclinic zirconium oxide. *2 Associat in New Hampshire, USA
cdM ir+erals C01ISO1idate
Monoclinic zirconium oxide manufactured by l1 company. Superloid (ammonium alginate),
Darvan 7, and NopCosperse
44 (the latter two being anionic polyelectrolytes consisting of sodium polyacrylate in aqueous solution) respectively Kelco, R.T., Vanderbil.
t company and l) iamon sllamrock net 1
It is made by water and 1) ar, which is a deflocculant
The amount of Van 7 Rice N0plJSperSe 44 may be varied from the values shown in the table to adjust the density and viscosity of the slip. The batch of dispersion medium and milling balls is subjected to a 16 hour ball mill operation to produce a slip (slurry) having an average particle size of about 2 microns. Typical particle size distributions for conventional milling ball slips and slips of the present invention (designated Pen Ball) are shown in Table 2. The pen ball batch for this invention is produced in a vibratory mill to an average particle size ranging from 1 to about 0.5 microns [1 micron].
The mill operation time required for this is approximately 48~
It is 72 hours. 2 written as a badge for pen ball
This distribution approximately defines the limits of the distributions actually used to make pen balls. When the average particle size of the batch exceeds about 1 micron, J of Example 1 below is used.
: Unless additional treatment is carried out, the resulting ball is too porous to be suitable as a pen ball. Table 2 Batch particle size distribution of slip for producing zirconia dispersion medium/milling balls according to the prior art and pen balls of the present invention = 19 - Curve AI in FIGS. 2 and 3, k, a conventional dispersion formed by the sol-gel process! Figure 2 illustrates a typical particle size distribution of II/milling balls. <Formation of Balls> FIG. 1 illustrates a method conventionally used to form balls, and this method is also used in the present invention (however, the average particle size is reduced). A slip or slurry 10 is placed in a closed container 12. The container 10 can be pressurized by high pressure air 14 supplied to the brushing tube 16 via a valve 18 . This pressurization causes the slip 10 to flow into a manifold 22 containing a number of nozzles 24 for forming drops. The nozzle can be a stainless steel or plastic tube, the larger the opening of the nozzle, the larger the droplet diameter. It has also been found that drop size is also influenced by drop rate, with rates of 2-3 drops per second being typical. When droplets 26 from nozzle 24 enter CaCL2 vessel 28 within vessel 30, an exchange reaction with ammonium alginate occurs, gelling the slip. The depth of the container 28 is approximately 1
6 inches, sufficient for the gelled balls to be produced without being damaged by colliding with the bottom of the container and other balls. The gelled balls 34 are recovered from the solution, washed with water to remove residual CaC9J2, and placed in a dryer at approximately 100° C. to remove moisture. (Firing) The balls 34 dried as described above are then placed in a stabilized zirconia crucible and subjected to 1 to
fired in a tunnel kiln. Room temperature 110℃/Duck 870℃ - 1675℃, held at 1675℃ for 4 hours. Otogeko 1
340℃ 95℃/hour > 870℃, 115”C;
When the crystal is fired in a room, a ball is formed which is entirely composed of equiaxed zirconia and contains tetragonal and monoclinic precipitates. If it is desired to increase the toughness of the ball, hold it in a temperature range lower than 1340'C.
The cooling conditions may be changed if the amount of precipitates increases. After firing, the porosity of the dispersion/grinding ball is generally about 20% by volume when measured by optical image analysis of the polished part. Optical image analysis shows that [ )
1g1tal E equipment Corpora
Commercially available from Non, Lysostructural Analysis i1 (l
eitz texture analysis
System, Model No. 1980) and a programmable database [1 Setsa (Model PI) P11/3
4) using an image analysis computer system consisting of: Optical image analysis methods are known, for example, J.
[Mathematical form and image analysis (lyjat
Hematical Morphology and■m
age analysis) J (U.S. New
York, Δacademic press 1982
Published in 2013). Balls suitable for use in pen balls according to the invention are approximately 8
%. Such balls must have a porosity of less than 10%. Such balls can be prepared by treating conventional grinding balls to reduce their porosity, as shown in the examples below. Example 1 Reducing the porosity of a prior art ball after firing to a level lower than 8 volume percent, and in some cases 0.5 percent 1, suitable for the present invention. To achieve this, heating and isostatic pressure can be used. This technique itself is already known and is described, for example, in U.S. Pat. No. 3,562,371. By combining the high temperature and high pressure of heating and isostatic pressure, an almost completely dense ball can be produced. Pressure strip 1
is effective in processing prior art dispersion tX/milling balls to produce the pen balls of the present invention. Room temperature 27°C/min 1600°C Hold at 1600°C for 2 hours ---→ → Hold 27°C/min 1200°C Hold at 1200°C for 45 minutes ---1-----) 13°C/min Room temperature- -→ Argon pressure of 30,000 ps at 1600℃
i (2100/rg/ci). Temperatures considerably lower than the normally adopted 1675°C (for example, 1550°C)
By uniformly pressurizing the pre-sintered balls at a temperature of 100.degree. Low temperature sintering produces balls in which almost all the porosity is at the grain boundaries rather than within the grains. Heating and balanced pressure is very effective in removing porosity existing at grain boundaries, and has a much smaller effect on pores inside the grains. Excessively non-spherical pen balls meet ASTM D1155-5
The process can be performed using a vibrating table as shown in 3. -25-, A. 24- (How to form the ball) Fine 1. <Many methods are described in the literature for forming spheres from powders, and 14 other possibilities are also possible. Examples of the latter include (1) extrusion molding of a rod-shaped object with a circular cross section, cutting it into small pieces, and firing it before and after cutting, and (2) dry pressing of powder to form precise cylindrical objects. and in each case: b1
Strong crushing of the cylinder after firing (including removing at least 40% of the material) to obtain the desired spherical shape.
is necessary. Several methods are described in the literature for forming globules by tumbling dry or wet fine powders in rotating containers and consolidating them. This method is generally referred to as [ballin (1) J] or [pelletizino J].
f 7incQxide powders) l (I
&ECproCessDesiqn &Rev,,5
(1) 10-14 (196G)) 26 describes a binderless dry process for forming zinc oxide pellets from submicron powders. In this method, seeds consisting of pre-compacted zinc oxide particles of approximately 200 mesh size are used.
d) is directed to a drum containing dry submicron zinc oxide powder. Then, as the sealed drum rotates at a constant speed of 33 to 110 rpm, the seeds grow by consolidation into spheres. Kapur and I” urstenau [Particle size distribution and velocity relationship in the core region of turbid pelletization (S
ize 1) istrN] 吋i0n and K 1n
etic Relationship in tl>e
Nuclei Region of Wet pel
let:1zation) J (I&FCProce
ss Design&Rev, 5(1) 5-10
(1966)), balls are produced by tumbling wet limestone powder in a rotating drum. In this method, 40-50% by volume of water is mixed with limestone and then the wet batch is passed through a screen to obtain fine particles. The particles are then tumbled within a drum containing a lifting bar on its inner periphery. As the drum rotates, the material therein forms condensates in the form of small spheres, the size of which increases as the drum rotates at higher speeds. In this way, spheres with a diameter of up to 5 mm have been obtained. Williams [Manufacture of spherical objects of controlled size from powder materials by the planetary rotation method (FabricaN
onof 5pheresof Controlled
3ize from Powder Materi
als lay P 1anetaryRollin(
] TechniqLIe) J (Proc, Br1
t, Ceram, 3 QC,, N 0012.1969
A similar method for producing ceramic spheres is also described in the March 2013 issue. In this method, the seeding spherules are added systematically while a batch of powder/binder is added to the seeding spherules.
Ti stars Consolidate and grow in a rotating mill. The rate of consolidation is controlled by adjusting the concentration of n-decanol (binder) in the powder feedstock. In order to control the production, it has been shown that it is necessary to sequentially vary the concentration (level) of the binder as follows: 1. To form the seed spheres, High Kanmaro 2.3! For continuous addition, medium concentration 3, to obtain spheres, low 81. [Formation of spheres from fine solids in suspension (F.
organization of 5pheres from
F 1nely D 1vidcdSolids in
1quid 3uspension) J (D
esi! ] 11 & Development, 6 (
1) 146-54 (1967)) discloses a method for forming spheres from powder in suspension. In this method, the dispersed powder is solidified by stirring the suspension with a small amount of a second liquid, which selectively clouds the solids and does not mix with the first liquid. It becomes a spherical object. During stirring, the powder becomes coated with the second liquid and condenses to form spheres. In the study of this paper, the first liquid is carbon tetrachloride and the second liquid is water, methanol or a mixture thereof. A typical batch composition is as follows. Sand 10 g Carbon tetrachloride 75 cc Water 2 cc Several other gelation-based methods for producing ceramic balls have also been reported. 1.Chemical F I
owsleet Conditions for p
reparing Urania S phares
by internalGelation)J
(1 & FCProduct Res. Dev, 19(3) 459-67 (1980)), UO2 balls are produced by chemically gelling droplets of uranium nitrate. Hexyrimethylene 1-lamine (IMTA) dissolved in the uranyl nitrate solution decomposes to release ammonia, which precipitates a hydrated UO2 gel. In this method, the droplets are heated and deposited in a Iζ trichlorethylene bath, resulting in decomposition of 1-1 M TΔ. The resulting spheres are washed with a 0.5M sodium hydroxide solution, then dried and fired. 1J-T, U.S. Pat. No. 4, by Lardwick et al.
No. 182,627, a pen ball made of tungsten carbide bonded with Kobal 1 is produced by a gel-based process. In the method of the patent, tungsten carbide particles, guar rubber, cobal nitrate 1
-J: Drops are formed from a mixture consisting of a soluble cobalt salt and wetting agent. Thus, the droplets gelled upon contact with an 8N aqueous solution of sodium to lithium hydroxide. After washing with water, the jqed spheres are air-dried and fired at ambient temperature. In addition, the dry pressurization of the cylindrical object as mentioned above is 5000 ~
Cart+owax 20M (Cart+owax 20M) Pressurized to 2000psi
) can be carried out using a spray-dried granulated powder containing: Also, Mae i! Ii The extrusion molding of rods with circular cross sections such as
fl Parent's Me1-Sale 20M (M eth
It can be carried out using a powdered batch containing ocel 20M). Prior to extrusion, mixing is preferably carried out in a Muller mixer. As mentioned above, all of the methods described above apply to the J: Huh? marked as pen ball in Table 2. By using a batch composition milled to an X particle size distribution, it can be used to prepare blanks for zirconia pen balls. Example 2 This example (well, it is for showing another method for forming the pen hole of the present invention). Pressure methods are not included. This example employs a small average particle size zirconium oxide containing batch as described above in connection with Table 2. This example contains 3.5 weight percent Moo. 4540 cc of water and 125 cc of N 0pCO8p
erSe 44 (anionic polyelectrolyte consisting of sodium polyacrylate in aqueous solution) at 10.950
A suspension was prepared by stirring with g of zirconia (Zircoa A-Grain) and 568 g of magnesium hydroxide. This mixture was placed in a vibratory mill containing a grinding media consisting of stabilized zirconia h11 and ground for 72 hours until an average particle size of 0.60
Micron slips were produced. Curve C in FIGS. 2 and 3 shows the particle size distribution of the zirconium oxide-containing batch of this example. Also, curve B in Figures 2 and 3 does not show the particle size distribution of other batches with average particle sizes slightly smaller than 1 micron. Curve B is believed to represent the upper limit of the average particle size for a batch that would yield a low porosity pen ball without the use of heat isostatic pressing. (It will be appreciated here that this average particle size is less than one-half the average particle size of conventional ones for making dispersion TS/milling balls. 32-5675 cc of water 85g of Superloi (1(
In Preparation 1], a solution containing ammonium alginate was mixed with the milled batch described in ]-. The resulting slip was passed through a 325 mesh screen.
The slip was vacuumed in a closed container to remove air. Next, as shown in FIG. 1, the suspension is pumped into the duct 22 and a plurality of nozzles (made of 22-gauge stainless steel MN) by the pressure of the air 14 to form droplets for gelation. Formed. ca ci. Consisting of an aqueous solution of 1.073/cm
Gelation occurred when droplets 26 were dropped from nozzle 24 (see Figure 1) into a bath 28 having a specific gravity of 100%. The treated T culm was deformed and turned into a smelt.Next, the droplets were thoroughly washed in running water, and then placed in an electric dryer at 100°C and kept overnight.The dried droplets were 1675 in a gas-fired tunnel kiln under the firing conditions described above in a stabilized zirconia crucible.
It was fired at 1°C. It was found that the pen ball was made of equiaxed zirconia, and a small amount of fine tetragonal zirconia was precipitated within the equiaxed crystal. The apparent specific gravity of the ball was 5-68 g/Cm3 when measured using mercury boroshimake. Moreover, the average diameter was 1.40 mm, and the standard deviation was 5.2%. A pen ball is placed between two bonded tungsten carbide plates and a compressive force is applied using an Instron mechanical testing device (crosshead speed 10
, 2 mm/min). If so, the plate used for the measurements contained 6 percent cobalt, had a hardness of 90 RC (Rockwell hardness), and was treated to a hardness of 0.05 micron. The average breaking strength of the 10 balls was 94.4 Bond with a standard deviation of 11.2 percent 1-. Optical image analysis of the polished portion of the ball showed that the average porosity of the ball was 1.01% by volume with a standard deviation of 25.8 percent. The average pore diameter is 2.73 microns (standard 11
deviation 4.0%), and the main pore diameter was 2.25 microns. These lots of pen ball blanks have a surface roughness of 0.
.. It was finished to a size of 10 to 0.15 microns to produce a pen ball for use in rolling ballpoint pens. Also,
Another lot was finished to a surface roughness of 0.04 to 0.
05 micron and used for a ballpoint pen using viscous ink. Now, FIG. 4 shows the tip of a typical ballpoint pen using the pen ball of the present invention. Reference numeral 50 designates the entire tip, which is often made of stainless steel. Hole 52 receives a core;
The lead is adapted to be connected to a reservoir for writing ink. An ink flow channel 54 is formed in the tip 50 and is typically disposed within a plastic sheet 56. The edge of the tip 50 is stamped at 58;
A pen ball 60 is rotatably held within a socket as shown. Thus, the present invention is constructed of fully or partially stabilized zirconium oxide and formed into a spherical ball by any means to transfer the ink from the ink reservoir of the pen to the writing surface. The present invention provides a ceramic body used for quantitative transfer to paper (for example, paper). The composition of the liquid transfer ball of the present invention can be expressed by the following general formula. (Zr 02 ) l−x (Ry Oz ) x where R is +2. +3 or +4
is at least one element selected from a group of elements that form a cation having a valence of about 0.
represents a number having a value from 05 to approximately 0.3, and
y and Z represent numbers having values sufficient to render RVO7 electrically neutral. Examples of elements suitable for R are magnesium, calcium, and yttrium. Threadium and lanthanide series elements (e.g., cerium, neodymium, tetranomalium, itterbiulz)
), and these elements are respectively oxide MgO
, Ca O, Y203 , SC203, CQ 02 ,
Nd203. Sm 203 and Yb2O3 are produced. The first two oxides are oxides of elements from group TIA of the Periodic Table; the other oxides are oxides of elements from group IIIB of the Periodic Table (including the lanthanide series). CR in Cleveland, Ohio, USA
"andbook of C" published by CP ress
(See Hemistry and Pbysics, 50th edition, page B-4). Moreover, these oxides, for example, M
(A mixture of IQ and Y2O3 is also suitable. In this case, ×
are values in the same range. According to the invention, a zirconium oxide body with highly tailored physical and chemical properties provides an optimal combination of all the properties required for excellent behavior as a ball for ballpoint pens. The optimum properties exhibited make the zirconium oxide body significantly more suitable for the application than other materials. For example, a tungsten carbide ballpoint pen ball designed to deliver 0.19 g of ink per hour will wear out the socket 1 and increase the ink transfer rate to keep the contained ink flowing for 5 to 6 hours. Consume with. In contrast, the ZrO2 ball of the present invention supplies ink for 13 to 16 hours, with an initial transfer rate of 0.19 g/hour and a final transfer rate of 0.22 g/hour. Tungsten carbide balls and other +J II balls have the tendency to initially corrode when they come into contact with water-based inks (5% 1-1 NO
3 solution after 5 minutes). Also, if tested in acetic acid solution,
The tungsten carbide balls showed no severe corrosion for 5 minutes to 24 hours. In contrast, 7r 02 is completely inert to the action of acid resistance. Additionally, Austechai 1 stainless steels are relatively soft and do not have abrasion resistance to contact with surfaces such as paper. On the other hand, 75-9
ZrO2, which has a hardness of 5RC, is unaffected by most contact surfaces. The low porosity (less than 8%) zirconium oxide pen ball of the present invention consists of zirconium oxide and a stabilizer, It can be produced from conventional slips by heating and isostatically pressing conventional dispersion medium balls having a particle size distribution as shown by curve A in FIGS. A slip of zirconium oxide with a particle size distribution as shown by curve C in Figures 2 and 3 is prepared and then formed into balls using the conventional sol-gel process (10 and It is also possible to produce 1 q of balls with a porosity as low as about 8%.
第1図は、従来より分散媒/摩砕用ボールを製造するた
めにゾル−ゲル法として知られている装置であつC1本
発明のペンボールの製造にも採用される装置を図示する
ものである。
第2図は、第2表に示したスリップの粒径分布を表わし
たグラフであり、曲線△は、従来からの分散媒/摩砕用
ボールを製造覆るだめのものであり、曲線BおよびCは
、本発明のペンボールを製造するためのものである。
第3図は、第2図と同様に第2表の粒径分布を水型もの
であるが、縦軸には、当該粒径より小さいものパーセン
1への代わりに存在量をパーセン1〜で表わし、また、
横軸は第2図のように対数目盛39−
にはなっていない。
第4図は、本発明のペンボールが使用される代表的なボ
ールペンの先端部を示す断面図である。
50・・・ボールペン先端部 60・・・ペンボール=
40−
1橙 (ミ7Dンン
Fig、 2FIG. 1 illustrates an apparatus conventionally known as the sol-gel method for producing dispersion medium/milling balls, which is also employed for producing the pen balls of the present invention. be. FIG. 2 is a graph showing the particle size distribution of the slip shown in Table 2, where the curve △ is the one that exceeds the conventional dispersion medium/milling ball manufactured, and the curves B and C is for manufacturing the pen ball of the present invention. Figure 3, like Figure 2, shows the particle size distribution in Table 2 for the water type, but the vertical axis shows the abundance in percent 1 to percent of particles smaller than the particle size. Representation, also
The horizontal axis is not on a logarithmic scale 39- as shown in FIG. FIG. 4 is a sectional view showing the tip of a typical ballpoint pen in which the pen ball of the present invention is used. 50...Ballpoint pen tip 60...Pen ball=
40-1 Orange (Mi7Dnn Fig, 2
Claims (1)
れていることを特徴とする液体移送用ボール。 (2) 酸化ジルコニウムが、セラミックの主要分析成
分である特許請求の範囲第1項記載の液体移送用ボール
。 (3) 研磨部分を光学像分析によって測定したときに
ボールが8パーセントよりも小さい多孔度をイラしてい
る特許請求の範囲第2項記載の液体移送用ボール。 (4) 高温下において等軸晶ジルコニアおよび正方品
ジルコニアから選ばれる少なくとも1つの相を生成する
安定剤によって酸化ジルコニウムが少なくとも部分的に
安定化されており、室温まで冷却されるときに該相が保
持され得るようになっている特許請求の範囲第3項記載
の液体移送用ボール3゜ (5) ボールの組成が、分子式 %式%) (式中、Rは、周期律表第1TA族、第11113族お
よびランタニド系列から成る群より選ばれる少な(とも
1つの元素であって酸化物において安定な+2、+3ま
たは+4の原子価のカチオンを形成するものであり、×
は、約0.051ら約0.3の値を有する数字であり、
■およびlは、(RV Ol)を電気的に中性にするの
に必要な値を有する数字である)によって表わされる特
許請求の範囲第4項記載の液体移送用ボール。 (6) 安定剤が、Ca o、MgO,Y203および
それらの混合物から成る群より選ばれる特許請求の範囲
第5項記載の液体移送用ボール。 (7) 安定剤が、Ca O,Ma OおよびY2O3
から成る群より選ばれる酸化物であり、それらの酸化物
の各々の吊が、ボールの全重量を基準にして、それぞれ
、M!] 02,6〜5.5%、CaQ’3.0〜10
%、およびY203 4.0〜16%である特許請求の
範囲第6項記載の液体移送用ボール。 (8) 平均粒子径が約1ミクロンよりも大ぎくイiい
酸化ジルコニウムの粉末から形成されている特許請求の
範囲第4項記載の液体移送用ボール。 (9) 平均粒子径が約0.6ミクロンよりも大きくな
い酸化ジルコニウムの粉末から形成されている特許請求
の範囲第4項記載の液体移送用ボール。 (10) 少なくとも部分的に安定化された酸化ジルコ
ニウムから成る焼結体であって、研磨部分を光学像分析
によって測定したときに多孔度を示す焼結体を形成し、
次いで、該焼結体を加熱均衡加圧してその多孔度を減少
させることによって製造された特許請求の範囲第4項記
載の液体移送用ボール。 (11) 平均粒子径が1ミクロンよりも小さく旧つ加
熱均衡加圧前において少なくとも約10%の多孔度を有
づる粒子から焼結体が形成される特許請求の範囲第10
項記載の液体移送用ボール。 (12) 液体収容部と連結されるように配置されてい
る中空の先端部と、該中空先端部に突出形状に載置され
ている液体移送用ボールどを有し、該液体移送用ボール
が、酸化ジルコニウムを含むセラミックから形成されて
いることを特徴どする液体移送用装置。 (13) 酸化ジルコニウムが、セラミックの主要分析
成分である特許請求の範囲第12項記載の装置。 〈14) ボールが、研磨部分を光学像分析によって測
定したときに約8%J:りも小ざい多孔度を有する特許
請求の範囲第13項記載の装置。 (15) 酸化ジルコニウムが、安定剤によって少なく
とも部分的に安定化されている特許請求の範囲第14項
記載の装置。 3−[Scope of Claims] (1) A liquid transfer ball characterized in that it is made of ceramic containing zirconium oxide. (2) The liquid transfer ball according to claim 1, wherein zirconium oxide is the main analytical component of the ceramic. (3) A liquid transfer ball according to claim 2, wherein the ball has a porosity of less than 8 percent as measured by optical image analysis of the polished portion. (4) The zirconium oxide is at least partially stabilized by a stabilizer that forms at least one phase selected from equiaxed zirconia and tetragonal zirconia at high temperatures, and when cooled to room temperature, the phase is stabilized. The liquid transfer ball 3° (5) according to claim 3, wherein the composition of the ball is a molecular formula (%) (%) (wherein R is a group 1TA of the periodic table, A minor element selected from the group consisting of Group 11113 and the lanthanide series (both are one element that forms a stable +2, +3 or +4 valence cation in an oxide, ×
is a number having a value of about 0.051 to about 0.3,
5. The liquid transfer ball according to claim 4, wherein (2) and 1 are numbers having values necessary to make (RV Ol) electrically neutral. (6) The liquid transfer ball according to claim 5, wherein the stabilizer is selected from the group consisting of CaO, MgO, Y203, and mixtures thereof. (7) Stabilizers include CaO, MaO and Y2O3
oxides selected from the group consisting of M!, and the weight of each of these oxides is M!, based on the total weight of the ball. ] 02.6-5.5%, CaQ'3.0-10
%, and Y203 4.0 to 16%. (8) The liquid transfer ball according to claim 4, wherein the ball is formed from zirconium oxide powder having an average particle diameter of much larger than about 1 micron. 9. The liquid transfer ball of claim 4, wherein the ball is formed from zirconium oxide powder having an average particle size of no greater than about 0.6 microns. (10) forming a sintered body of at least partially stabilized zirconium oxide, the sintered body exhibiting porosity as measured by optical image analysis of the polished portion;
5. The liquid transfer ball according to claim 4, which is manufactured by applying heating and isostatic pressure to the sintered body to reduce its porosity. (11) The sintered body is formed from particles having an average particle diameter of less than 1 micron and a porosity of at least about 10% before heating and isostatic pressing.
Ball for liquid transfer as described in section. (12) It has a hollow tip arranged to be connected to the liquid storage part, and a liquid transfer ball placed in a protruding shape on the hollow tip, and the liquid transfer ball has a A device for transferring a liquid, characterized in that it is formed from a ceramic containing zirconium oxide. (13) The device according to claim 12, wherein zirconium oxide is the main analytical component of the ceramic. <14) The apparatus of claim 13, wherein the ball has a porosity of about 8% J: as measured by optical image analysis of the polished portion. (15) The device according to claim 14, wherein the zirconium oxide is at least partially stabilized by a stabilizer. 3-
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